不对称电解质设计使锂离子电池的阳极容量更高

Josiah02 · 发表于 2024-9-11 00:51:41

锂离子电池 (LiB) 已成为全球使用最广泛的可充电电池。能源研究人员和材料科学家一直在尝试寻找可用作 LIB 组件的替代材料，从而有可能提高电池性能和效率，而不会显著增加制造成本。
迄今为止，石墨一直是锂离子电池最常用的阳极材料，因为它成本相对较低、重量轻且耐用。然而，近年来，研究发现了石墨基阳极的有前途的替代品，其中之一就是微尺寸合金阳极。
合金阳极基于可与锂发生反应的金属合金，例如硅 (Si)、锡 (Sn) 或铝 (Al)。基于这些合金的阳极可能比石墨阳极具有显著的优势，包括成本更低，并有可能提高电池容量。
尽管微型合金阳极具有潜在优势，但迄今为止，事实证明其可靠性不如石墨阳极。原因之一是它们通常会导致容量快速衰减和库仑效率低下，尤其是与基于碳酸盐的电解质结合时。
过去的研究发现，固体电解质界面层 (SEI)（电池循环过程中在阳极上形成的保护层）与合金的结合力过强。这会导致 SEI 和合金上出现结构裂缝，电解质可以通过这些裂缝渗透，在电池充电和放电时形成新的 SEI 层。
迄今为止，微型合金阳极电池中观察到的快速退化现象限制了其广泛使用和商业化。
在《自然能源》上发表的一篇论文中，马里兰大学和罗德岛大学的研究人员介绍了一种新型不对称电解质，可以提高具有微尺寸合金阳极的锂离子电池的性能。
“使用纳米合金阳极可以延长电池的循环寿命，但也会缩短电池的日历寿命并增加制造成本，”Ai-Min Li、Zeyi Wang 和他们的同事在论文中写道。
“我们通过开发不对称电解质（无溶剂离子液体和分子溶剂）形成富含 LiF 的无机 SEI，显着提高了微型 Si、Al、Sn 和 Bi 阳极的循环性能，使 90 mAh μSi||LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2和 70 mAh Li 3.75 Si||SPAN 袋式电池（面积容量为 4.5 mAh cm −2；N/P 为 1.4）实现 >400 次循环，容量保持率高达 >85%。”
研究人员设计并合成了一种新型电解质，这种电解质与微型合金阳极和高能阴极结合时性能良好。这种电解质以 N-甲基-N（2-甲氧基乙氧基）甲基吡咯烷六氟磷酸盐为基础，简称为 NMEP。
李、王和他们的同事写道：“不对称电解质设计形成富含 LiF 的中间相，使高容量阳极和高能阴极能够实现长循环寿命，并为高能锂离子电池提供通用解决方案。”
为了评估电解质的潜力，该团队在大型 LiB 软包电池中对其进行了测试。他们的发现非常有希望，因为电池在 200 次循环中达到了 140 mAh g -1以上的高容量，在 400 次操作循环后仍保留了 85% 以上的容量。
研究人员新引入的非对称设计增强了 LiBs 关键成分 LiPF 6盐与低还原电位的二甲醚 (DME) 之间的兼容性，从而能够在微尺寸合金阳极上可靠地形成 LiF 界面。
未来，它可以在具有不同阳极和阴极成分的更广泛的电池上进行测试，从而可能有助于开发下一代电池解决方案。

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